管线球阀阀座失稳与应变设计

杨熙翀 李永喜 李随义

摘  要：在大型管线球阀国产化的一次试验中，发现非正常泄漏。经检查，阀座内径发生残余变形，阀座在外压作用下失稳。本文对受外压阀座进行应力、应变分析，并提出阀座强度、应变的设计、计算方法。

关键字：阀座，应变设计，稳定性

1.阀座失稳的发生

管线球阀的阀座可视为一个薄壁圆筒，把阀座作为一个阀门内件，通常不考虑阀座的失稳。但对于一个大口径高压球阀的阀座，按API-6D进行DIB-I试验时，阀座是一个受外压的薄壁圆筒，可能发生失稳，需进行应力、应变分析和计算。

Class900，NPS56的管线球阀，在一次DIB-I的试验时，二侧密封座发生大量泄漏，阀座发生残余变形，内径1360mm，缩小至1358mm。证实阀座失稳。

2.应力分析

典型的阀座结构如图1所示。

在DBB功能试验时，金属阀座1处于内压的作用下，如图2（a）所示。在DIB-I功能试验时，阀座处于外压的作用，如图2（b）所示。在液压强度试验时，阀座处于，和两端压力的共同作用下。如图2（c）所示。

这样，我们可以把阀座视为一个圆筒，受内压，外压，两端压力的作用。假设是一个无限长的筒体，则。令圆筒内半径为a，外半径为b，显然圆筒上任何一点上的应力分量是半径r的函数。筒状阀座是一个轴对称零件，一点上的应力分量用极坐标表示为：环向应力，径向应力，轴向应力。因为我们假定是无限长的筒体，二端压力，所以。作二向应力状态考虑。如图3（a）所示。

3.应变分析

在求得应力分量，之后，根据公式（3）可求得相应的径向应变，环向应变。

直径变化量直接影响密封圈的初始压缩量，可能导致泄漏。

4.外壓壳体的工程计算

在工程上受外压壳体的强度，即壁厚的计算可按照ASMEⅧ-（1）UG28“外压壳体和管子的壁厚”进行。计算的目的，是针对某已知壁厚的筒体材料及其物性参数求得一个临界外压〔P〕值。

临界外压〔P〕与结构参数L/D，D/t以及材料的屈服极限有关。D为筒体内径，t为壁厚，L为筒体长度。

第一步，按L/D，D/t在ASMEⅡ-D篇第3分篇中求得参数A。

第二步，根据求得的参数A，以及材料和工作温度在ASMEⅡD篇3分篇相应材料的线算图上求得参数B。

第三步，按下列公式计算临界工作外压〔P〕

5.结论

管线球阀对于要求DIB-I功能的阀座，需要进行外压下阀座的强度，变形和失稳计算。尤其是高压，大口径的金属阀座。在密封设计时，阀座的径向变形增大了密封间隙，可能会导致密封失效，应予注意。

参考文献

〔1〕徐芝纶 ，弹性力学，人民教育出版社1982，P.85

〔2〕范钦珊，压力容器的应力分析与强度设计，原子能出版社1979，P.47-P.51

〔3〕ASME 锅炉压力容器规范第Ⅷ卷第一册压力容器建造规则，2010版

〔4〕ASME 锅炉压力容器规范第Ⅱ卷：材料，D篇性能，2010版

作者简介

杨熙翀（1984 年3月22日），汉族，男，本科，甘肃平凉人，工程师，浙江永盛科技股份有限公司，从事阀门设计与研究。邮编：311400